Publicar Time: 2021-08-19 Origem: alimentado
Resumo:Apresentamos um modelo de acoplamento segmentado para fundição de placas a roloagitação eletromagnética(EMS In-roll) de comportamento eletromagnético, de fluxo, de transferência de calor e de solidificação com base na magnetohidrodinâmica e na teoria de solidificação.Um modelo de acoplamento segmentado tridimensional (3-D) que incluiu elementos eletromagnéticos, de fluxo e de transferência de calor foi estabelecido usando o software Ansoft Maxwell e ANSYS Fluent.Os efeitos da luva do rolo, do anel de proteção magnética, da bobina, do núcleo, do aço fundido e do domínio do ar nos campos eletromagnético, térmico e de fluxo foram estudados numericamente.A precisão do modelo foi verificada medindo a densidade do fluxo magnético na linha central de um par de roletes e a força eletromagnética da placa de cobre.Com base nos resultados numéricos dos parâmetros técnicos ideais, o efeito do IN-ROLL EMS na solidificação do aço inoxidável Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni foi explorado.Os resultados indicaram que com cada par adicional de rolos eletromagnéticos, a força eletromagnética média aumentou em 2.969 N / m3na direção de fundição, e 5600 N / m3na seção central dos rolos.Com o aumento do número de pares de rolos, a região de agitação efetiva aumentou e a velocidade do aço fundido na frente de solidificação primeiro aumentou, mas depois diminuiu.O forte efeito de lavagem em redemoinho eletromagnético reduziu a taxa de solidificação da casca da placa e promoveu a dissipação superaquecida do aço fundido no centro da vertente.A razão de cristal equiaxial central da placa foi melhorada para 69% com dois pares de rolos IN-ROLL EMS e parâmetros eletromagnéticos de 400 A / 7 Hz, o que foi benéfico para a obtenção de uma estrutura solidificada densa e uniforme para melhorar o desempenho de trabalho a quente subsequente e qualidade do produto.
Palavras-chave:rolo de agitação eletromagnética (IN-ROLL EMS);Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso de aço Ni;estrutura de solidificação;número de pares de rolos;efeito de lavagemResumo:Apresentamos um modelo de acoplamento segmentado para fundição de placas por rolo de agitação eletromagnética (EMS In-roll) de comportamento eletromagnético, de fluxo, de transferência de calor e de solidificação baseado na magnetohidrodinâmica e na teoria de solidificação.Um modelo de acoplamento segmentado tridimensional (3-D) que incluiu elementos eletromagnéticos, de fluxo e de transferência de calor foi estabelecido usando o software Ansoft Maxwell e ANSYS Fluent.Os efeitos da luva do rolo, do anel de proteção magnética, da bobina, do núcleo, do aço fundido e do domínio do ar nos campos eletromagnético, térmico e de fluxo foram estudados numericamente.A precisão do modelo foi verificada medindo a densidade do fluxo magnético na linha central de um par de roletes e a força eletromagnética da placa de cobre.Com base nos resultados numéricos dos parâmetros técnicos ideais, o efeito do IN-ROLL EMS na solidificação do aço inoxidável Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni foi explorado.Os resultados indicaram que com cada par adicional de rolos eletromagnéticos, a força eletromagnética média aumentou em 2.969 N / m3na direção de fundição, e 5600 N / m3na seção central dos rolos.Com o aumento do número de pares de rolos, a região de agitação efetiva aumentou e a velocidade do aço fundido na frente de solidificação primeiro aumentou, mas depois diminuiu.O forte efeito de lavagem em redemoinho eletromagnético reduziu a taxa de solidificação da casca da placa e promoveu a dissipação superaquecida do aço fundido no centro da vertente.A razão de cristal equiaxial central da placa foi melhorada para 69% com dois pares de rolos IN-ROLL EMS e parâmetros eletromagnéticos de 400 A / 7 Hz, o que foi benéfico para a obtenção de uma estrutura solidificada densa e uniforme para melhorar o desempenho de trabalho a quente subsequente e qualidade do produto.
1Introdução
Ligas de aço inoxidável que economizam níquel, como Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni, têm uma estrutura de ferrita em ambientes com altas temperaturas que faz com que desenvolvam cristais colunares facilmente durante a solidificação com uma proporção muito baixa de cristal equiaxial em aço peças fundidas.A estrutura cristalina colunar tem anisotropia óbvia no processo de trabalho plástico subsequente, o que é provável que produza defeitos semelhantes a rugas em produtos de chapa devido à baixa capacidade de estampagem profunda.Controlar a estrutura fundida e obter uma alta proporção de cristais equiaxiais durante o processo de fundição contínua (CC) é importante para melhorar o desempenho e a qualidade de trabalho a quente subsequente do produto;esta sempre foi uma questão central para a indústria do aço.
O IN-ROLL EMS pode substituir o rolete de tração normal na máquina CC por diferentes pares de roletes.Arranjos diferentes dos rolos nos segmentos terão distribuições de campo magnético, áreas de EMF e padrões de fluxo de aço fundido variados.Considerando a importância do comportamento metalúrgico no SCZ de uma fundição de laje no que diz respeito ao controle da qualidade interna do cordão, um modelo acoplado de comportamento eletromagnético tridimensional (3-D), fluxo, transferência de calor e solidificação no SCZ tem desenvolvido neste estudo.
A densidade do fluxo magnético foi medida usando um medidor Tesla 475 do modo de processamento de sinal digital LakeShore (Zhongke Electric, Hunan, China).O EMF foi testado usando um medidor de empuxo fabricado internamente, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3.Método de medição de cobre: (a) Diagrama de estrutura;(b) diagrama de dispositivo físico.
Os principais componentes químicos do aço Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni estão listados na Tabela 2.
Figura 4.Corte de amostra de fundição de laje para análise metalográfica.
3 Resultados e discussão
3.1.Análise de campo eletromagnético
A Figura 5a mostra uma comparação dos valores calculados e medidos de densidade de fluxo magnético, e a Figura 5b mostra o EMF na linha central da superfície larga com um par de rolos.Os valores medidos e calculados de densidade de fluxo magnético na linha de centro do rolo e a EMF da placa de cobre estão aproximadamente de acordo, o que verifica a confiabilidade do modelo a um nível aceitável.A Figura 5b mostra que o EMF aumentou rapidamente e depois diminuiu lentamente conforme a frequência aumentava, e o maior EMF de um par de agitadores de rolo foi obtido a uma frequência de 9 Hz.
Figura 5.Comparação de valores medidos e calculados na linha de centro da face larga do par de rolos: (a) densidade do fluxo magnético, (b) força eletromagnética.
A Figura 6a-c apresenta a distribuição da densidade do fluxo magnético na superfície da laje para uma intensidade de corrente de 400 A e uma frequência de 7 Hz nos casos de um par, dois pares e três pares, respectivamente, em que a área efetiva da densidade do fluxo magnético aumentou com um número crescente de rolos.O campo magnético da onda viajante tinha uma certa direcionalidade que produziu um efeito final, resultando em uma densidade de fluxo magnético maior no lado de impulso (lado direito da fita na Figura 6) do que no lado inicial (lado esquerdo da fita na Figura 6 )
Figura 6.Contorno de densidade de fluxo magnético na superfície do suporte com (a) um par, (b) dois pares, e (c) três pares de rolos.
A Figura 7a revela a distribuição do EMF ao longo da linha central na direção de fundição sob um número diferente de pares de rolos para uma corrente de 400 A e frequência de 7 Hz, e a Figura 7b mostra a distribuição do EMF ao longo da linha central dos rolos na direção ampla.Para um, dois e três pares de rolos, o EMF máximo na linha de centro da laje ao longo da direção de fundição foi 12.090, 18.573 e 21.229 N / m3, respectivamente, e o EMF médio foi 2023, 5066 e 7962 N / m3, respectivamente.O EMF máximo na linha central da superfície larga para cada par de rolos foi 12.354, 18.084 e 22.874 N / m3, respectivamente, e o EMF médio foi de 10.247, 15.730 e 21.336 N / m3, respectivamente.A força máxima estava localizada no lado de impulso da laje, e o EMF do aço fundido aumentava com o aumento do número de pares de rolos.
Figura 7.Distribuição da força eletromagnética interna no cordão com número diferente de rolos (a) ao longo da linha central na direção de fundição, (b) ao longo da linha de centro dos rolos na direção larga.
A Figura 8a mostra a distribuição do EMF na direção de fundição sob dois pares de rolos em frequências diferentes, e a Figura 8b revela a distribuição do EMF na direção de fundição sob os dois pares de rolos em diferentes correntes.A distribuição do EMF indica que ele era pequeno em ambas as extremidades, grande no meio e uniformemente distribuído entre os rolos.O EMF máximo no centro da vertente aumentou de 4750 para 19.000 N / m3conforme a intensidade da corrente aumentou de 200 para 400 A. Além disso, o EMF máximo no centro da fita diminuiu de 20.838 para 17.995 N / m3quando a frequência aumentou de 4 para 8 Hz.A fita exibiu uma certa condutividade magnética quando as linhas de indução magnética do ar para a fita se desviaram, agrupando-se em um local e formando um escudo magnético.A diferença de fluxo magnético entre o interior e as bordas da fita resultou em uma distribuição desigual da corrente induzida, que se concentrou principalmente na superfície da laje, fenômeno conhecido como \\"efeito pele \\".Este efeito leva a uma redução na penetração do campo magnético em frequências mais altas [17].Mostra que a casca solidificada com uma certa condutividade elétrica tem um certo efeito de blindagem no campo magnético e, portanto, a intensidade da indução magnética central diminui ligeiramente à medida que a frequência da corrente aumenta.
Figura 8.Distribuição da força eletromagnética na direção de fundição sob os dois pares de rolos em (a) frequências diferentes e abaixo de (b) diferentes correntes.
3.2.Análise de comportamento de fluxo e solidificação
A Figura 9a demonstra a distribuição de velocidade ao longo da linha de centro na direção de fundição na linha característica de aço fundido com um número diferente de pares de rolos e a Figura 9b mostra a distribuição de velocidade ao longo da linha de centro dos rolos na direção ampla.Um aumento no número de rolos levava a um aumento no volume local do EMF no cordão, e o EMF era a força motriz do fluxo de aço fundido para lavar a frente de solidificação no SCZ.A faixa de velocidade de lavagem efetiva - definida como a faixa em que a velocidade de fluxo é maior do que a velocidade de fundição - da frente de solidificação ao longo da direção de fundição foi 4,0-4,35 m, 3,8-4,35 m e 3,6-4,35 m para um, dois e três pares de rolos, respectivamente, e a velocidade máxima de lavagem foi de 0,7, 0,8 e 0,76 m / s, respectivamente.Zhang et al.[18] descobriram que o fluxo de jato de alta velocidade dos orifícios laterais pode levar a uma zona de turbulência maior na zona do molde e parte do SCZ.Embora a EMF de dois pares de rolos seja menor do que a dos três pares, a região de lavagem dos dois pares está mais para baixo, deixando uma intensidade de energia cinética turbulenta menor na área do molde deslocado.Assim, o fio tem uma velocidade máxima de lavagem maior com dois pares de rolos do que com três pares.A Figura 8b mostra que a velocidade máxima de fluxo sob diferentes números de pares de rolos foi distribuída em um lado do cordão.A velocidade do fluxo no lado de impulso do EMF era maior do que no lado inicial, o que está mais ou menos de acordo com as características de movimento do campo magnético de onda viajante.
Figura 9.Distribuição de velocidade com diferentes números de rolos (a) ao longo da linha central na direção de fundição, e (b) ao longo da linha de centro dos rolos na direção larga.
A Figura 10a-d mostra a distribuição da temperatura e a linha aerodinâmica do aço fundido na superfície central da face estreita da laje com 0–3 pares de rolos.O EMF fez com que o aço fundido se movesse de um lado da superfície estreita para o outro, e a continuidade do fluxo para a frente de solidificação estreita levou à formação de uma circulação superior e inferior do aço fundido, resultando em um núcleo uniforme temperatura e mistura da laje.Com um número crescente de pares de rolos, a área de fluxo de aço fundido na seção transversal se expandiu e a troca de calor forçada entre o aço fundido de alta temperatura central e a casca solidificada levou a uma zona de baixa temperatura maior no centro do vertente.De acordo com a teoria da solidificação, uma temperatura mais baixa do aço fundido central é mais propícia à formação de partículas de nucleação.Xu et al.apontou [19] que a lavagem do aço fundido contra a frente de solidificação pode causar o \\"derretimento \\" do braço dendrítico para fornecer partículas de nucleação para a formação de cristais equiaxiais, o que, em última análise, aumenta a razão de cristal equiaxial central da fita.
Figura 10.Distribuição de temperatura e fluxo na estreita superfície central da fita com (a) pares zero, (b) um par, (c) dois pares, e (d) três pares de rolos.
A Figura 11a ilustra a variação da casca solidificada no lado inicial ao longo da direção de fundição no centro da face estreita para o cordão com diferentes números de pares de rolos, e a Figura 11b mostra a mudança na espessura da casca no lado de impulso ao longo do direção de fundição no centro da face estreita para o cordão com diferentes números de pares de rolos.A frente de solidificação é considerada o local onde a fração da fase líquida é de 0,3.Para zero, um, dois e três pares de rolos, a espessura da casca solidificada na saída do domínio de cálculo foi 42,37, 40,96, 40,14 e 38,43 mm no lado inicial do EMF, respectivamente, e 42,37, 42,27 , 37,62 e 37,60 mm no lado de impulso do EMF, respectivamente.O fluxo de alta velocidade do aço fundido corre para a frente de solidificação e interrompe alguns dos cristais colunares, resultando no crescimento lento da casca solidificada na região de agitação.A taxa de solidificação no lado do empuxo eletromagnético foi significativamente menor do que no lado inicial, o que aproximadamente coincide com as características do campo magnético da onda viajante.
Figura 11.Distribuição da espessura da casca na estreita face central do cordão no (a) lado inicial e (b) lado de impulso.
3.3.Experimentos de estrutura de solidificação obtidos por IN-ROLL EMS
Dois pares de rolos foram selecionados para fundição de placas de aço Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni nos experimentos de controle de estrutura de solidificação por IN-ROLL EMS.A zona semissólida no centro da laje quando dois pares de rolos eram usados era maior do que quando um par de rolos era usado.Embora o EMF tenha sido menor do que quando três pares foram usados, a velocidade de lavagem da frente de solidificação foi maior com dois pares do que com três pares, o que foi benéfico para a formação de cristais equiaxiais na fita.Além disso, o custo da instrumentação e o consumo de energia são menores quando dois pares de roletes são usados.As estruturas de solidificação da laje produzida quando o IN-ROLL EMS foi desligado e ligado foram comparadas durante o experimento, conforme mostrado na Figura 12. Quando o IN-ROLL EMS foi desligado, a macroestrutura da laje foi mais desenvolvida no cristal colunar, que está relacionado às características do aço Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso Ni.Ter um teor de Cr no aço superior a 16% levou a um processo de solidificação sem oα→γprocesso de transição de fase, com manutenção da estrutura de ferrita.Pang et al.[20] descobriram que não houve transição de fase para impedir o desenvolvimento de cristais colunares durante o processo de crescimento do grão;portanto, o tamanho do grão era grosso e os elementos químicos estavam sujeitos à segregação, o que pode afetar seriamente a qualidade do produto.Quando o IN-ROLL EMS foi ligado com parâmetros eletromagnéticos de 400 A e 7 Hz, o EMF gerado pelo campo magnético da onda viajante fez com que o aço fundido fluísse violentamente e lavasse a frente do cristal colunar para reduzir o gradiente de temperatura na frente de solidificação , inibindo o crescimento de cristais colunares.Ao mesmo tempo, o fluxo de alta velocidade do aço fundido pode quebrar o braço dendrítico colunar para formar núcleos livres na área central de baixa temperatura.Finalmente, a proporção de cristal equiaxial central da fita foi aumentada para 69%.
Figura 12.Seção transversal de a macroestrutura como fundida da vertente (a) sem IN-ROLL EMS e (b) com dois pares de rolos usados no IN-ROLL EMS (em 400 A e 7 Hz).
4. Conclusões
Aqui, um modelo de acoplamento segmentado 3-D para comportamento eletromagnético, de fluxo e de transferência de calor foi estabelecido para a fundição de placas de aço inoxidável.Os efeitos do IN-ROLL EMS na distribuição do campo magnético e no comportamento de solidificação foram revelados, e os parâmetros técnicos ideais para controlar a macroestrutura fundida do aço Fe-17% em peso Cr-0,6% em peso foram apresentados.As principais conclusões são as seguintes:
1. As características do campo magnético da onda viajante do IN-ROLL EMS no SCZ produzirão um EMF máximo localizado no lado inicial do cordão da laje.Para cada par adicional de rolos eletromagnéticos, o EMF médio na direção de fundição aumenta em 2969 N / m3, e o EMF médio na seção central dos rolos aumenta em 5600 N / m3.
2. Com um número crescente de pares de rolos de agitação, a área de agitação efetiva do aço fundido dentro do cordão é aumentada pelo EMF, e a velocidade do aço fundido na frente de solidificação primeiro aumenta e depois diminui.O efeito de lavagem de fluxo da forte força eletromagnética reduzirá a taxa de solidificação da casca local e acelerará a dissipação superaquecida do centro de aço fundido, o que é benéfico para a formação de cristal equiaxial.
3. O uso de dois pares de rolos eletromagnéticos em 400 A e 7 Hz pode produzir uma razão de cristal equiaxial central de 69% na fita da laje de 200 mm x 1280 mm, o que ajuda a melhorar seu comportamento de trabalho a quente.
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